Арнольд Зоммерфельд

Арнольд Зоммерфельд (нем. Arnold Sommerfeld; 5 декабря 1868, Кёнигсберг — 26 апреля 1951, Мюнхен) — немецкий физик-теоретик и математик, один из основоположников квантовой теории, создатель крупной научной школы. Внёс фундаментальный вклад в теорию атома, квантовую механику, электродинамику, теорию относительности и математическую физику. Наиболее известен обобщением боровской модели атома (модель Зоммерфельда) и введением постоянной тонкой структуры.

Биография

Ранние годы и образование

Арнольд Иоганнес Вильгельм Зоммерфельд родился в Кёнигсберге (ныне Калининград) в семье врача Франца Зоммерфельда. С детства проявлял способности к математике и естественным наукам. В 1886 году поступил в Кёнигсбергский университет, где изучал математику и физику. Его учителями были математики Фердинанд фон Линдеман и Адольф Гурвиц, а также физик Пауль Фолькман. В 1891 году защитил докторскую диссертацию по математической физике на тему «Произвольные функции в математической физике» под руководством Линдемана.

Научная карьера

После защиты диссертации Зоммерфельд работал ассистентом в Гёттингенском университете у Феликса Клейна, который оказал значительное влияние на его научный стиль — сочетание строгой математики с физическими задачами. В 1897 году он стал профессором математики в Горной академии Клаусталя, а в 1900 году — профессором технической механики в Высшей технической школе Ахена.

В 1906 году Зоммерфельд занял должность профессора теоретической физики в Мюнхенском университете, где проработал до выхода на пенсию в 1938 году. В Мюнхене он создал одну из ведущих мировых школ теоретической физики. Среди его учеников были Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули, Ханс Бете, Петер Дебай, Пауль Эвальд, Грегор Вентцель и многие другие. В общей сложности четверо его учеников стали нобелевскими лауреатами.

Последние годы

После прихода к власти нацистов в 1933 году Зоммерфельд, не будучи евреем, сохранил свою должность, но подвергался критике со стороны сторонников «арийской физики» за пропаганду «еврейской» теории относительности и квантовой механики. В 1938 году он вышел на пенсию, но продолжал научную работу. В 1940 году, во время Второй мировой войны, его дом был разрушен бомбардировкой, погибла его библиотека. После войны он участвовал в восстановлении немецкой науки. Умер в 1951 году в Мюнхене от травм, полученных в результате дорожно-транспортного происшествия.

Научные достижения

Модель атома Зоммерфельда

Основной вклад Зоммерфельда в физику относится к 1915–1916 годам, когда он обобщил планетарную модель атома Нильса Бора. В модели Бора электроны движутся по круговым орбитам, а Зоммерфельд ввёл эллиптические орбиты, что позволило объяснить тонкую структуру спектральных линий водорода. Для описания орбит он использовал релятивистскую механику и ввёл два квантовых числа: главное (n) и азимутальное (l). Это привело к появлению понятия вырождения энергетических уровней.

Постоянная тонкой структуры

В рамках своей модели Зоммерфельд ввёл безразмерную константу, названную постоянной тонкой структуры (α ≈ 1/137). Она характеризует силу электромагнитного взаимодействия и является одной из фундаментальных констант физики. Зоммерфельд показал, что эта константа определяет расщепление спектральных линий водорода.

Математическая физика и теория дифракции

Зоммерфельд внёс значительный вклад в математическую физику, особенно в теорию дифференциальных уравнений в частных производных и специальные функции. Он разработал строгий метод решения задач дифракции на клине (дифракция Зоммерфельда), который стал классическим в электродинамике. Его работы по распространению радиоволн вокруг Земли (задача Зоммерфельда) легли в основу теории распространения радиоволн.

Теория относительности и электродинамика

Зоммерфельд был одним из первых, кто оценил значение специальной теории относительности Эйнштейна. В 1910 году он дал математически строгое изложение теории относительности, а также развил релятивистскую электродинамику. Он также внёс вклад в теорию электрона и в теорию излучения.

Квантовая механика и теория металлов

Зоммерфельд участвовал в становлении квантовой механики. В 1927 году он применил статистику Ферми — Дирака к электронам в металлах, создав модель свободных электронов (модель Зоммерфельда). Эта модель объяснила многие свойства металлов, включая теплоёмкость и электропроводность, и стала основой современной теории твёрдого тела.

Научная школа и педагогическая деятельность

Зоммерфельд считается основателем одной из самых плодотворных научных школ в истории физики. Его стиль преподавания сочетал глубокое математическое обоснование с физической интуицией. Он написал серию многотомных учебников «Лекции по теоретической физике», которые стали классическими и переведены на многие языки. Эти учебники охватывают механику, электродинамику, квантовую механику, термодинамику и оптику.

Признание и награды

Зоммерфельд был членом многих академий наук, включая Прусскую, Баварскую, Австрийскую, Шведскую, а также Лондонского королевского общества. Он был удостоен медали Макса Планка (1931) и медали Лоренца (1939). Несмотря на многократные номинации, Нобелевская премия ему так и не была присуждена, что многие историки науки считают одним из самых заметных упущений Нобелевского комитета.

Основные труды

• «Atombau und Spektrallinien» (1919) — фундаментальный труд по атомной физике.
• «Wellenmechanik» (1929) — по волновой механике.
• «Vorlesungen über theoretische Physik» (в 6 томах, 1943–1952) — лекции по теоретической физике.
• «Partielle Differentialgleichungen der Physik» (1937) — по дифференциальным уравнениям математической физики.

Интересные факты

• Зоммерфельд был известен своей любовью к точности и строгости. Он требовал от студентов и ассистентов безупречного математического оформления работ.
• В честь учёного названы кратер на Луне, астероид (32809 Sommerfeld) и премия Немецкого физического общества.
• Его постоянная тонкой структуры (α) до сих пор остаётся одной из самых загадочных констант в физике, её точное значение не выводится из теории, а определяется экспериментально.

Источники

• Зоммерфельд А. Лекции по теоретической физике. — М.: Издательство иностранной литературы, 1950–1960.
• Паули В. Труды по квантовой теории. — М.: Наука, 1975.
• Храмов Ю. А. Физики: Биографический справочник. — М.: Наука, 1983.
• Eckert M. Arnold Sommerfeld: Science, Life and Turbulent Times 1868–1951. — Springer, 2013.